Albert Einsteins revolutionära allmänna relativitetsteori beskriver tyngdkraften som en krökning i rymdtiden. Matematiker vid University of California, Davis har kommit fram till ett nytt sätt att skrynkla det tyget medan man funderar över chockvågor.
"Vi visar att rymdtiden inte kan vara lokalt platt vid en punkt där två chockvågor kolliderar," säger Blake Temple, professor i matematik vid UC Davis. "Detta är en ny typ av singularitet i den allmänna relativiteten."
Temple och hans kollaboratörer studerar matematiken för hur chockvågor i en perfekt vätska påverkar rymdtidens krökning. Deras nya modeller bevisar att singulariteter uppträder vid de punkter där chockvågor kolliderar. Voglers matematiska modeller simulerade två chockvågor som kolliderar. Reintjes följde upp med en analys av ekvationerna som beskriver vad som händer när chockvågorna korsar. Han kallade singulariteten skapade en "regularitet singularitet."
"Det som är överraskande", berättade Temple till Space Magazine, "är att något så vardagligt som vågens interaktion kan orsaka något så extremt som en rymdens singularitet - om än en mycket mild ny typ av singularitet. Också förvånande är att de bildar i de mest grundläggande ekvationerna av Einsteins teori om allmän relativitet, ekvationerna för en perfekt vätska. "
Resultaten rapporteras i två tidningar av Temple med doktorander Moritz Reintjes och Zeke Vogler i tidskriften Proceedings of the Royal Society A.
Einstein revolutionerade modern fysik med sin allmänna relativitetsteori som publicerades 1916. Teorin beskriver kort sagt rymden som ett fyrdimensionellt tyg som kan vridas av energi och energiflödet. Gravity visar sig som en krökning av detta tyg. Teorin börjar med antagandet att rymdtid (en 4-dimensionell yta, inte två-dimensionell som en sfär) också är "lokalt platt", förklarar Temple. ”Reintjes teorem bevisar att det vid rumskockvåginteraktion är [rymdtid] för” skrynkligt ”för att vara lokalt platt.”
Vi tror ofta på ett svart hål som en singularitet som det är. Men detta är bara en del av förklaringen. Inuti ett svart hål blir rumtidens krökning så brant och extremt att ingen energi, inte ens ljus, kan undkomma. Temple säger att en singularitet kan vara mer subtil där bara en plåster av rymdtid inte kan göras för att se lokalt platt i något koordinatsystem.
"Lokalt platt" avser rymden som verkar vara platt ur ett visst perspektiv. Vår syn på jorden från ytan är ett bra exempel. Jorden ser platt ut mot en sjöman mitt i havet. Det är först när vi rör oss långt från ytan att jordens krökning blir uppenbar. Einsteins teori om allmän relativitet börjar med antagandet att rymdtid också är lokalt platt. Chockvågor skapar en plötslig förändring eller diskontinuitet i vätskans tryck och densitet. Detta skapar ett hopp i rymdtidens krökning, men inte tillräckligt för att skapa "skrynkling" som ses i teamets modeller, säger Temple.
Den coolaste delen av upptäckten för Temple är att allt, hans tidigare arbete med chockvågor under Big Bang och kombinationen av Voglers och Reintjes arbete, passar ihop.
Det finns så mycket serendipity, säger Temple. ”Det här är verkligen den coolaste delen för mig.
Jag gillar att det är så subtilt. Och jag gillar att det matematiska fältet för shockwave-teorin, skapat för att ta itu med problem som inte hade något att göra med General Relativity, har lett oss till upptäckten av en ny typ av singularitet i rymdtiden. Jag tycker att det här är en väldigt sällsynt sak och jag skulle kalla det en upptäckt en gång i en generation. "
Medan modellen ser bra ut på papper, undrar Temple och hans team hur de branta lutningarna i rymden vid en "regelbunden singularitet" kan orsaka större effekter än väntat i den verkliga världen. Allmän relativitet förutsäger att tyngdkraftsvågor kan produceras genom kollision av massiva föremål, som svarta hål. "Vi undrar om en exploderande stjärnskockvåg som slår en exploderande chock vid framkanten av en kollaps kan stimulera starkare än förväntade tyngdkraftsvågor," säger Temple. "Detta kan inte hända i sfärisk symmetri, vilket vår sats antar, men i princip kan det hända om symmetrin var något trasig."
Bildtexter: Artistuppspelning av utrymme av rymdtid i början av Big Bang. John Williams / TerraZoom
